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Le stockage d’énergie

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Bien qu’il existe différentes formes d’énergie (thermique, mécanique, chimique,…), c’est bien à l’énergie électrique que l’on se réfère aujourd’hui lorsqu’on évoque la problématique du stockage de l’énergie. Cette forme d’énergie est largement utilisée car c’est un très bon vecteur énergétique. En effet, l’électricité peut se convertir sous d’autres formes d’énergie avec de bons rendements et être transporté sans pertes significatives sur de longues distances. Longtemps considéré comme impossible à stocker du fait des problèmes de stockage du courant alternatif, il est aujourd’hui rendu possible grâce au perfectionnement des convertisseurs.

Le stockage de l’électricité est d’actualité avec l’augmentation de la part d’énergies renouvelables intermittentes dans les moyens de production. Ce type d’énergie pose problème au gestionnaire du réseau électrique puisqu’il ne permet pas de garantir l’équilibre offre/demande nécessaire au bon fonctionnement des réseaux. Afin d’augmenter la part d’énergies renouvelables intermittentes que sont principalement l’éolien et le photovoltaïque, il convient de stocker l’énergie électrique pour en disposer lorsque la production est interrompue ou insuffisante. D’une manière plus générale, la mise en œuvre de moyens de stockage permet de rendre les services suivant :
-  Secours : garantir la sécurité du réseau électrique ;
-  Lissage de charge : permettre une meilleure gestion du parc de production ;
-  Contrôle de la qualité : assurer en permanence la fourniture d’un signal de qualité ;
-  Contrôle de la production d’EnR : optimiser la production, améliorer la rentabilité.

Différentes technologies plus ou moins matures existent pour stocker l’énergie électrique. Elles consistent pour la majeure partie à convertir l’électricité sous une autre forme d’énergie plus facilement stockable. Suivant la taille du stockage et la forme d’énergie stockée, la technologie sera plus apte à remplir une fonction donnée. Les principales solutions de stockage d’électricité sont présentées ici selon la forme d’énergie stockée.

1. Les technologies de stockage de l’énergie

1.1. Energie Mécanique

- Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP)

La STEP consiste à utiliser l’énergie électrique pour pomper l’eau d’un bassin aval vers un bassin amont. Lorsque l’on veut récupérer l’énergie, l’eau en amont est déversée dans le bassin aval actionnant ainsi une turbine pour produire de l’électricité.

(Source : www.connaissancedesenergies.org)

Le rendement d’un tel stockage varie entre 65% et 75%. Il est possible de stocker jusqu’à quelques centaines de GWh pendant une durée quelconque. Les puissances peuvent atteindre l’ordre du GW avec une durée de démarrage comprise entre 10 et 15 minutes.

Le principal avantage de cette technologie est la possibilité de stocker de grandes quantités d’énergie avec un coût relativement faible vis-à-vis d’autres technologies. Toutefois, l’inconvénient est de pouvoir trouver un site géographique adapté pour son implantation.

- Stockage d’énergie sous forme d’air comprimé (CAES)

Le principe de cette technologie est de convertir l’énergie électrique en air comprimé que l’on stocke. Le stockage se fait soit dans des cavernes souterraines soit dans des réservoirs en surface pour de petites installations. Pour restituer l’électricité, l’air comprimé est dirigé vers une machine semblable à une turbine à gaz. Il est réchauffé dans une chambre de combustion grâce à un appoint de gaz naturel puis détendu dans la turbine.

(Source : Jacques RUER, SAIPEM)

Pour chaque kWh électrique restitué, il aura fallut stocker 0,75 kWh électrique et brûler 1,22 kWh de gaz naturel durant le déstockage. Le temps de réponse est de 10 minutes. Seul deux installations sont actuellement en service dans le monde, une en Allemagne et l’autre aux Etats-Unis.

Le principal inconvénient de la technologie est la perte de chaleur liée à la compression. Cette chaleur pourrait permettre de préchauffer l’air à l’entrée de la turbine augmentant ainsi son rendement ce que n’autorise pas la décorrélation temporelle. D’où le développement d’un système avec stockage d’énergie thermique. Des efforts de recherches sont encore nécessaires pour diminuer les coûts du stockage thermique. Un premier pilote de 2 700 MW de ce système est planifié dans l’Ohio (USA) pour 2013.

- Volant d’inertie

Un volant d’inertie permet de stocker temporairement l’énergie sous forme d’énergie cinétique qui est une composante de l’énergie mécanique. Il est constitué d’une masse sous forme d’anneau ou de tube en fibre de carbone entraînée par un moteur électrique. L’apport d’énergie électrique permet de faire tourner la masse à des vitesses très élevées (>8000 tr/min) en quelques minutes. Sans apport de courant la masse continue de tourner. L’énergie est restituée instantanément en utilisant le moteur comme génératrice électrique. Le rendement du système est optimisé par les roulements magnétiques et le confinement sous vide. On distingue les volants d’inertie lents (disque en acier) et les volants d’inertie rapides (disque en composite). La limite est sujette à discussion et est placée entre 6000 T/min et 14000 T/min.

a) Système à volant lent ; b) Système à volant rapide (Source : Thèse G.-O. CIMUCA, ENSAM Lille 2005)

Le rendement est élevé puisque 80% de l’énergie absorbée pourra être restituée. Le temps de réponse est très court de l’ordre de la milliseconde ce qui permet de faire de la régulation de fréquence d’un réseau. La technologie est fiable et demande peu d’entretien. L’inconvénient majeur est la durée de stockage qui est limité à une quinzaine de minutes.

1.2. Chimique

- Accumulateurs électrochimiques

L’électricité peut servir à la formation de composés chimiques par le biais de réactions électrochimiques. Ces réactions sont réversibles et peuvent également générer de l’électricité. C’est sur ce type de réactions que repose le principe des accumulateurs électrochimiques que l’on nomme communément batteries. Les accumulateurs présentent la caractéristique de fournir une tension à ses bornes peu dépendante du courant débité. Les technologies sont nombreuses (Plomb-acide, Nickel-Cadmium, Nickel-Métal Hydrures, Lithium-ion, Sodium Soufre,…). Souvent employé à petite échelle sur des sites isolés ou pour des applications mobiles, ils peuvent servir pour du stockage à grande échelle assurant la sécurité électrique d’un réseau entier. Nous listons ici les principaux accumulateurs utilisés actuellement.

- Accumulateurs au Plomb : Très utilisé dans l’industrie automobile comme source d’énergie pour l’allumage, ce type d’accumulateur est une technologie mature. On en distingue deux types : les accumulateurs au plomb ouvert et les accumulateurs à recombinaison de gaz. Les premiers ont une durée de vie plus importante allant de 5 à 15 ans. Ils sont est moins chers et moins sensible à la température que les seconds qui nécessitent aucun entretien et émettent de très faible quantité de gaz. Technologie la moins chère du marché, ces accumulateurs ont l’inconvénient d’avoir un faible nombre de cycle charge/décharge. L’installation la plus importante a une capacité de 40MWh et une puissance de 10 MW. Elle se situe à Chino en Californie. Le rendement du stockage est de l’ordre de 70%.

Vue éclatée d’un accumulateur au Plomb

- Accumulateurs au Nickel : Les plus répandus sont le Nickel-Cadmium (Ni-Cd) et le Nickel-Métal Hydrures (Ni-MH). Le premier offre un bon compris énergie/puissance mais est interdit à la commercialisation depuis le 1er juillet 2006 en Europe du fait de la toxicité du Cadmium. La technologie Ni-MH présente l’avantage d’avoir une énergie volumique au moins 30% supérieure à celle des accumulateurs Ni-Cd. Pour éviter une surcharge, elle nécessite une recharge rapide. Le rendement énergétique est de l’ordre de 70%. Les accumulateurs Ni-MH supportent de forts courants de charge et de décharge et sont beaucoup plus sûres en cas de surchauffe que les accumulateurs au Lithium. C’est qui est explique sa prédominance sur le marché du véhicule hybride. Pour les applications stationnaires, c’est technologie Ni-Cd qui est la plus utilisée.

- Accumulateurs au Lithium : Cet accumulateur s’est imposé dans les applications de l’électronique portable. Le développement des véhicules électriques a permis de mettre au point de nouveau système d’accumulateur au lithium offrant de très bonnes performances en termes de cyclabilité (durée de vie) et de densité énergétique. Les coûts sont encore assez élevés ce qui n’empêche la réalisation de grands projets de stockage. La plus grande installation se situe en Virginie-Occidentale aux Etats-Unis avec un stockage d’une puissance de 32 MW permettant de lisser la production d’une centrale d’éolienne de 98 MW pour une injection réseau.

Lithium-ion pour le stockage à l’échelle du particulier (Source : www.saftbatteries.com)

Lithium-ion pour le stockage à l’échelle du réseau (Source : www.grist.org)

- Accumulateurs Sodium Soufre : L’accumulateur Sodium-Soufre (NaS) fonctionne avec des électrodes liquides. Pour cela, il doit être maintenu à une température comprise entre 290°C et 350°C. Les électrodes, siègent des réactions électrochimiques sont en sodium et en soufre liquide. L’électrolyte séparant les deux électrodes est constituée de céramique ce qui garantit une bonne conduction des ions. Bien que le nombre de cycle est théoriquement infini, il se situe en réalité autour de 1000.

(Source : NGK Insulator)

La durée de vie peut atteindre les 15 ans et plus de 4000 cycles en conditions non critiques (décharges inférieures à 80%). Le rendement énergétique est très bon (85%) mais la technologie fait face à une autodécharge importante.

- Accumulateur à circulation (Redox Flow)

Un accumulateur redox flow en tant que générateur électrochimique est le siège de réaction d’oxydoréduction à ces électrodes. La spécificité vient ici du fait que les réactifs et les produits sont en solution dans l’électrolyte adéquat. Les deux électrolytes positif et négatif sont stockés dans des réservoirs et mis en circulation jusqu’aux demi-cellules où se déroulent les réactions. La continuité du circuit électrique impose que les deux demi-cellules soient séparées par une paroi semi-perméable qui autorise le passage d’un ion commun aux deux électrolytes. La capacité dépend de la quantité de réactifs que contiennent les électrolytes et est extensible à l’aide de réservoirs auxiliaires. La puissance quant à elle est liée au dimensionnement du réacteur.

(Source : Techniques de l’ingénieur)

Ce type d’accumulateurs est adapté pour de fortes puissances et un stockage journalier nuit/jour. La réactivité et les puissances réalisables leur confèrent un vaste de domaine d’utilisation. Enfin, une décharge complète est possible sans dommage pour le système. Actuellement, trois technologies semblent se distinguer :

- Vanadium-Vanadium : Le marché est aujourd’hui dominé par la technologie au Vanadium qui est le plus connu et reconnu. Le rendement énergétique se situe entre 70 et 85%. Le nombre de cycle de charge est supérieur à 12000 et la puissance en pointe inférieure à 10 MW.

- Zinc-Brome : Technologie mature industriellement, le rendement énergétique oscille entre 65 et 75%. Le nombre de cycle est supérieur à 2000 pour une puissance de pointe inférieure à 4 MW.

- Brome-Soufre : Ce système en voie de développement permet d’atteindre des puissances remarquables de l’ordre de la centaine de MW. Le rendement se situe dans une fourchette de 60 à 75%. La puissance de pointe varie quant à elle entre 5 et 500 MW.

- Hydrogène

L’électrolyse est une cellule électrochimique où l’apport d’énergie électrique permet la synthèse d’espèces chimiques. L’électrolyse de l’eau permet de produire de l’hydrogène. Ce gaz peut ensuite être stockée soit sous forme liquide, comprimé ou encore solide par la formation de composés chimiques généralement des hydrures métalliques. La conversion en électricité est de nouveau permise via une pile à combustible. Cette technologie est prometteuse puisque l’hydrogène a une densité énergétique très élevée et permettrait ainsi de stocker d’importante quantité d’énergie. Mais pour l’heure, cette technologie souffre de plusieurs inconvénients qui sont :
-  Un faible rendement du processus qui est au mieux de l’ordre de 30% ;
-  Un prix élevé,
-  Une puissance limitée,
-  et une faible durée de vie des générateurs électrochimiques. Des travaux de recherche et développement sont encore en cours. Un pilote de démonstration de 200 kW et 1,75 MWh a récemment vu le jour en Corse dans le cadre du projet MYRTE. Il vise à gérer de manière optimale la production d’une centrale photovoltaïque de 560 kWc pour une injection sur le réseau.

(Source : INEVA- CNRT)

1.3. Thermique

Il est possible de stocker l’électricité sous forme thermique. Pour cela, l’électricité est convertit en chaleur dans des résistances électriques. La chaleur produite est stockée dans un réservoir constitué de réfractaires. Pour récupérer l’énergie ainsi stockée, il suffit de transformer la chaleur en électricité par le biais d’une turbine à gaz.

(Source : Jacques RUER, SAIPEM)

Il est possible de le coupler à un stockage d’air comprimé pour stocker la chaleur produite lors de la compression de l’air.

Ce dispositif est devenu concevable grâce au développement des turbines à gaz à haute température (supérieur à 1400°C) autorisant un rendement de conversion de la chaleur en électricité de l’ordre 60% dans les cycles combinés. L’isolation thermique est bien maîtrisée et l’est d’autant mieux que le stockage est de grande taille. Actuellement en développement, elle a le mérite de pouvoir stocker de grande quantité d’énergie sans contrainte de site et sans risque majeur.

1.4. Electrostatique/Magnétique

- Super-condensateur

Apparu dans les années 2000, le super condensateur est un composant dédié au stockage de puissance plutôt qu’à celui d’énergie. Il se présente sous la forme d’une cellule élémentaire dans laquelle le stockage est de type électrostatique. Cela permet d’obtenir des puissances massiques élevées de l’ordre de 10 kW/kg et supportant de 500 000 à 1 million de cycles de charge/décharge. La majorité des supercondensateurs commercialisés sont réalisés selon le procédé double couche électrochimique. Un dépôt de charbon actif sur un film en aluminium permet d’obtenir une surface importante et donc une forte capacité. Les électrodes baignent dans un électrolyte aqueux ou organique. Les charges électriques sont stockées à l’interface électrode-électrolyte. Le temps de réponse est de quelques dizaines de secondes.

- Inductances supraconductrices (SMES)

Le stockage électromagnétique repose sur l’accumulation d’énergie électrique dans une bobine selfique parcourue par un courant continu et son stockage lorsqu’elle est fermée sur elle-même. L’énergie stockée variant comme le carré du courant, le recours à la supraconductivité permet de faire circuler de forts courants pour y stocker de grandes quantités d’énergie.

(Source : Intech)

Le rendement de la technologie est de l’ordre de 90%. Sa taille est modulable et permet d’obtenir des capacités comprises entre 1 et 10 MWh. Intéressante comme source d’énergie impulsionnelle, elle se décharge à 50% de l’énergie stockée en moins d’une seconde. Elle n’a pas de contrainte pour son implantation. Les installations sont principalement des pilotes de démonstration qui se situent aux Etats-Unis.

2. Le stockage d’énergie à La Réunion.

Le besoin en stockage de l’énergie électrique s’est tout d’abord manifesté pour les installations photovoltaïques en site isolé intervenu dans les années 80 principalement dans le cirque de Mafate. Il a été satisfait par la mise en place d’accumulateurs plomb-acide. De nos jours, c’est toujours ce type de stockage qui est privilégié pour sa maturité et son faible coût d’investissement. Ce type de stockage intervient à l’échelle du particulier qui n’est pas connecté au réseau.

Exemple de stockage dans le cirque de Mafate (Source : SERT, 2006)

En ce qui concerne le connecté réseau, le stockage de l’énergie photovoltaïque à l’échelle du particulier est à l’étude avec le projet MILLENER (Mille Installations de gEstion éNERgétique dans les îles). Il a pour objectif de contribuer à la réduction des consommations électriques des clients et à une meilleure insertion des énergies renouvelables intermittentes dans les réseaux de distribution. Prenant en compte les spécificités d’un réseau isolé non-interconnecté comme celui des îles, les expérimentations qui se feront à la Réunion mais également en Corse et en Guadeloupe mettront en œuvre des solutions photovoltaïques associés à des systèmes de stockage d’énergie par des accumulateurs lithium-ion.

Les batteries Lithium-ion sont également à l’étude dans le cadre du projet ENERSTOCK. Initié par Aérowatt, il a la particularité de combiner deux technologies de stockage. Une station de transfert d’énergie par pompage (STEP) se prêtant bien au relief de la Réunion serait associée à des accumulateurs lithium-ion ayant une plus grande réactivité. L’objectif est de lisser la production d’énergies renouvelables (éolienne et photovoltaïque) et de fournir une réserve d’énergie primaire. Débuté en 2011, il vise à la mise en place en 2014 d’une unité de stockage d’une capacité comprise entre 5 et 10 MWh sur le site de La Perrière à Sainte Suzanne. L’une des premières étapes sera la conception d’un modèle réduit à l’Université de Grenoble qui devrait être opérationnel fin 2012.

Depuis fin 2009, EDF exploite un accumulateur Sodium-Soufre (« Batterie NaS ») sur la commune de Saint André. D’une puissance d’1 MW, il permet d’accumuler jusqu’à 7,2 MWh. Cette expérimentation menée par le gestionnaire de réseau a permis de faire du lissage la courbe de charge et de tester la performance d’un tel dispositif sur le réseau.

Batterie NaS sur le site de Saint André (Source : sei.edf.com)

Enfin d’autres projets de stockage de l’énergie photovoltaïque sont susceptibles de voir le jour dans le cadre de l’appel d’offre de la Commission de Régulation de l’Energie qui impose le recours à une solution de stockage d’énergie dans les DOM pour les centrales photovoltaïques de plus de 250 kWc.

Conclusions

La volonté de recourir à des énergies renouvelables et l’augmentation du coût de l’énergie d’une manière générale poussent à recourir à des dispositifs de stockage de l’énergie. A la Réunion, le stockage se fait principalement sous forme d’énergie chimique (accumulateurs électrochimiques) et dans un avenir proche sous d’énergie mécanique (STEP). Les technologies de stockage sont nombreuses et pour certaines matures techniquement. Cependant, elles restent encore globalement onéreuses ce qui implique que les systèmes mise en œuvre le sont encore principalement à titre d’expérimentation. La législation peut aussi constituer un autre frein au déploiement des moyens de stockage notamment sur les questions de l’implantation et de la revente de l’électricité stockée.

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